JP3943877B2 - 位置決め制御装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機や艦船に搭載する赤外線映像装置等の空間安定化装置において、所要トルクを抑え、高い視軸安定性能が実現できる制御の切り換え方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空間安定化装置は、いわゆるジンバルを含む。ジンバルは、羅針盤や撮像カメラなどの被制御対象物を水平に保つ装置（機構）である。
【０００３】
図１に、ジンバルの一般的な制御モード説明図を示す。尚、以下説明は、全て艦船に搭載される場合の制御例である。
【０００４】
ジンバル制御モードには、一般に図１に示したような、.対艦角度制御モードＭ１、.対空間角度制御モードＭ２、対空間角速度制御モードＭ３の３つの制御モードがあり、それぞれ以下機能を有する。
【０００５】
対艦角度制御モードＭ１は、ジンバルを艦船に対し位置決め制御する機能を有する。例えば、艦船に対し、決められた格納位置にジンバルを指向させ、ブレーキをかけジンバルを固定する。
【０００６】
対空間角度制御モードＭ２は、動揺外乱印加時に、視軸を常に空間に対し、一定方向に指向制御するように、動揺修正を行う機能を有し、画像の回転や移動を抑止し、常に画像中心を同一無限遠ポイントに指向する。
【０００７】
対空間角速度制御モードＭ３は、視軸を空間に対し任意方向に向ける機能を有する。
【０００８】
外部からの制御コマンドにより、上記３つの制御モードＭ１〜Ｍ３を切り換えることで、電源投入から電源切断までのジンバル運用動作を行っている。
【０００９】
ジンバル制御フローチャート図を図２に示す。
【００１０】
ジンバルは、電源ＯＮ時（ステップＳ１）は対艦角度制御モードＭ１となり、ジンバルのブレーキを解除（Ｓ２）後、切り換え処理を経て対空間角度制御モードに移行し（Ｓ３）、動揺修正を行う。対空間角度制御モードＭ２にて、外部からの制御コマンドを受信反映し（Ｓ４）、受付コマンドに対応した切り換え処理（Ｓ５、Ｓ６；Ｓ８、Ｓ９）を経てコマンドに対応した制御モードに移行する（Ｓ７、Ｓ１０）。電源OFFコマンド受付時（Ｓ１１）には、対艦角度制御モードＭ１に移行し（Ｓ１２）、ジンバルの対艦係止角度に位置決め（Ｓ１３）後、ブレーキをかけ（ブレーキON）、電源をOFFする（Ｓ１４）。
【００１１】
以下は、制御誤差量を抑え、高性能化するための制御ブロック構成について説明を行う。
【００１２】
一般に、制御ブロックは、角加速度ループ、角速度ループ、角度ループの３重制御ループを構成し、高い周波数領域にて応答させることで、視軸位置決め精度を高精度化することができる。
各ループの機能を以下に簡単に説明する。
【００１３】
角加速度ループの機能は、周囲温度により変化するメカニカルな静止／動摩擦トルクや、風雨等による艦船航行時の受風面に対する風圧トルク、艦船航行時の波との衝突による振動／衝撃によるアンバランストルクといった外乱トルク、艦船動揺時、視軸を安定に保つために必要な慣性トルク等、常に変動する所要トルクに対し、俊敏に応答し、外乱を抑圧するために用いる。
【００１４】
角速度ループの機能は、角速度（本特許では対空間角速度と対艦角速度を示す）に対する追従応答性すなわち速応性を向上する目的に使用する。
角度ループの機能は、角度（本特許では対空間角度と対艦角度を示す）に対する追従応答特性すなわち位置決め性能を向上する目的に使用する。
【００１５】
対艦角度制御モードＭ１の制御系を図３のブロック図に示す。
【００１６】
制御ブロックの構成は、内側ループより順に、角加速度ループ１０、対艦角速度をフィードバック信号とする対艦角速度ループ１１、対艦角度をフィードバック信号とする対艦角度ループ１２の３重制御ループより構成される。
【００１７】
角加速度ループ１０は、減算器１３、サーボアンプとモータ（駆動装置）と負荷を含む被制御対象物１４、対艦角速度センサ１５、対艦角速度から加速度を算出する乗算器１６、トルク・オブ・サーバ１７からなる。角速度ループ１１は、角加速度ループ１０に加え、減算器１８を有する。角度ループ１２は角速度ループ１１に加え、対艦角度指令２０、減算器２１、角度補償器２２、角速度から角度を算出する乗算器２３及び対艦角度センサ２４を有する。
【００１８】
対艦角度指令２０と、対艦角度センサ２４で検知した実際の対艦角度との角度誤差値を減算器２１で演算して、これを角度補償器２２で補償する。角度補償器２２が出力する角速度指令値と、対艦角速度センサ１５が検知した実際の対艦角速度との角速度誤差値を減算器１８で演算して、これを角速度補償器１９で補償する。角速度補償器１９が出力するトルク指令値から、トルク・オブ・サーバ１７が出力するトルクフィードバック信号を減算器２１で演算して、これをモータ駆動電流指令電圧として被制御対象物１４のサーボアンプに与え、モータを駆動する。
【００１９】
対空間角度制御モードＭ２の制御系を図４のブロック図に示す。
【００２０】
制御ブロックの構成は、内側ループより順に、角加速度ループ１０、対空間角速度をフィードバック信号とする対空間角速度ループ１１Ａ、対空間角度をフィードバック信号とする対空間角度ループの３重制御ループ１２Ａより構成される。図４の角加速度ループ１０は、図３に示す角加速度ループ１０と同一構成である。対空間角速度ループ１１Ａは、対空間角速度センサ２６で検知した対空間角速度をフィードバックする点で、図３に示す対空間角速度ループ１１とは異なる。角度ループ１２Ａは、ジンバル対艦角度と、艦船動揺角度（艦船ジャイロ信号）２７との差を減算器２８で算出し、これを対空間目標角指令２５から減算する。艦船動揺角度（艦船ジャイロ信号）２７は、艦船ジャイロが出力する信号である。一般に、艦船の中心底部に設置されており、３軸構成のジンバル構造をした高速で回転する慣性体を有し、慣性体を常に空間に対し、安定に保つよう制御する事で、ジンバル３軸（ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸）に対する傾き角度を検出・出力する。 従って、３軸回りの艦船の対空間角度（すなわち艦船の動揺角度）を出力する。
【００２１】
対空間角速度制御モードＭ３の制御系を図５のブロック図に示す。
【００２２】
制御ブロックの構成は、内側ループより順に、角加速度ループ１０と対空間角速度をフィードバック信号とする対空間角速度ループ１１Ｂの２重制御ループより構成される。角加速度ループ１０は、図３及び図４に示すものと同一である。対空間角速度ループ１１Ｂは、対空間角速度指令２９から対空間角速度を減算器１８で減算して、演算結果を角速度補償器１９に出力する。
【００２３】
上記３系統の制御モードは、角加速度ループ１０のみが共通部分であり、角度ループあるいは角速度ループに用いているフィードバック信号や制御形態が異なるため、単なる制御ブロックの切り換えだけでは、過大なモータ印加トルクが必用となり、出力トルクオーバーにより発振、発散してしまい対応できない。従って、3種制御モード間のトルクを抑えた切り換え手段を設ける必要がある。
【００２４】
尚、ジンバル機構は、一般に艦船に対し仰角方向に駆動範囲制限を有するため、制御系においては、動作範囲制限（メカリミット）を設け、衝突を回避し、稼動範囲内に制御量が入った場合、動作復帰させる手段が必要となる。
【００２５】
例えば、対空間角速度制御モードＭ３で、最大角速度で、視軸をメカリミット角度方向に指令を出しつづけた場合、衝突回避手段を設けないと、ジンバルはメカリミット点で激しく衝突し、ジンバルおよび駆動系にダメージを与える。また、メカリミットからの復帰手段を設け、視軸をメカリミット角度範囲内に復帰させることが出来なくてはならない。
【００２６】
例えば、対空間角度制御モードＭ２で、視軸がメカリミット近辺で空間安定化（動揺修正）している場合、動揺条件により、ジンバル駆動範囲内で修正しきれず、視軸が空間に対し安定化できない場合が発生する。 この場合、ジンバルは、メカリミットで対艦角度に対し停止した状態で艦船とともに動揺し、動揺角度と視軸対空間角の加算値がメカリミット範囲に入った時点で、動揺修正を復帰、視軸を空間に対し安定化させなければならない。
図６にメカリミット角での空間安定化機能制限の説明図を示す。
【００２７】
本説明例では、メカリミットを−６０°（説明のため、ここでは視軸が艦首俯角となる場合を想定）に、視軸の対空間指向角を−５５°に向いた状態で、±１０°の動揺外乱が印加されている時を想定している。ジンバル駆動範囲では、目標に対し視軸を指向させ空間安定化をはかり、メカリミット点にてジンバルを艦船に対し停止させ、目標追従可能領域であるメカリミット域に入る時点で動揺修正を復帰する。
【００２８】
対艦角度制御モードＭ１では、対艦角度指令値がメカリミットを超えないように制限することで対応できる。
【００２９】
図３から図５に示す３つの制御系による制御モード間の切り換え方式として、従来から種々の方式が提案されており、以下に示すような制御方式が知られている。
【００３０】
制御モード間の切り換え方式に関し、第1の従来例は、角度制御ループにより制御モードの切り換えを行う方式である。この第1の従来例の制御ブロックを図７に示す。同図において、制御ブロックは、スイッチ（ＳＷ）３０、角度指令生成部３１、減算器３２、角度補償器３３、モータアンプ３４、モータ＋負荷部３５、積分器３６、艦船動揺角度３７、切り換え判定部３８、加算器３９及び対艦角度センサ４０を含む。
【００３１】
対艦角度制御モードＭ１は、スイッチ３０を切ることで艦船動揺角度３７を反映しない状態にて、角度指令生成部３１が対艦目標角度を指令値として出力する。対空間角度モードＭ２は、スイッチ３０をＯＮして艦船動揺角度３７を反映した状態にて、角度指令生成部３１が対空間目標角度を指令値として出力する。対艦角度制御モードＭ１から対空間角度制御モードＭ２への切り換えは、切り換え判定部３８がスイッチ３０をＯＮとし、艦船動揺角３７を接続して、艦船動揺に対しジンバルを切り換え制御する。通常、接続開始時の追従応答性を良くするため、ジンバル対空間角度誤差が小さい時に艦船動揺角度接続を行う切り換え判定部３８を有する。
また、対空間角度制御モードＭ２から対艦角度制御モードＭ１へ切り換える場合は、切り換え判定部３８がスイッチ３０をＯＦＦさせて艦船動揺角を切り離し、角度指令処理部３１からの対艦指令信号で切り換え時のジンバル角度から目標格納位置へ対艦角度制御する。
【００３２】
本方式には、対空間角速度制御モードＭ３はないが、対空間角度制御モードＭ２時、角度指令生成部３１からの指令信号を変化させる事で、視軸を任意方向に指向させることが出来る。
【００３３】
第２の従来例は角度制御と角速度制御の切り換えを行う方式で、特開平６−２８９９３７号に記載のサーボ制御システムである。この第２の従来例を当システムに適応した場合の制御ブロックを図８に示す。この制御ブロックは、角度生成指令部３１、モータアンプ３４、モータ＋負荷部３５、積分器３６、艦船動揺角度３７、対艦角度センサ４０、角速度指令生成部４１、角速度補償器４２、スイッチ（ＳＷ）４３、対空間角速度センサ４４、加算器４５、減算器４６、角度補償器４７、ドリフト補正用角度補償器４８、加算器４９及び切り換え判定部５０を有する。
【００３４】
対艦角度制御モードＭ２は、切り換え判定部５０が、スイッチ４３を対艦角度制御モードＭ１側へ切り換え、対艦角度センサ４０を使い、角度指令生成部４１からの対艦角度指令値を出力し、目標値へ対艦角度制御を行う。
対空間角速度制御モードＭ２は、切り換え判定部５０がスイッチ４３を対空間角速度制御モードＭ２側へ切り換え、対空間角速度センサ４４を使い、角速度指令生成部４１からの対空間角速度指令値を出力し、目標値へ対空間角速度制御を行う。
【００３５】
対艦角度制御モードＭ１から対空間角速度モードＭ２への切り換え時、切り換え判定部５０は、対空間角速度制御モードＭ２側へスイッチ４３を切り換え、対空間角度センサ４４を使い、角速度指令生成部４１からの対空間角速度指令値を目標値とした対空間角速度制御を行う。
通常、対空間角速度センサ４４はドリフト成分を含むため、対艦角度センサ４０と艦船動揺角度３７を加算器４９で加算し、ドリフトを除去でき得る低周波に応答帯域をとるようにドリフト補正用角度補償器４８の制御定数を設定し、ドリフト補正することを目的とした、角度ループを組む必要がある。
【００３６】
制御モードの切り換えは、通常、接続開始時の追従応答性を良くするため、角度指令電圧値と角速度指令電圧値の差が、許容範囲内に規定時間で静定するのを待って信号を接続し、艦船動揺角３７に追従させる切り替え判定部５０を有する。
【００３７】
また、角度と角速度制御モードの切り換え時のステップ状トルクに応答させるため、角速度補償器４２および角度補償器４７のゲインを落としたり、制御モードの切り換え時、角速度補償器４２および角度補償器４７のゲインを落とした状態から設定ゲインまで可変させて対応する場合もある。
【００３８】
ジンバル・メカリミット近辺の切り換え制御方式に関し、第３の従来例は、メカリミット位置に例えば電気リミットスイッチを設け、ストッパが電気リミットスイッチを押した場合、押された方向に回転動作しないように、電気回路により駆動制限を設けていた。電気スイッチの代わりとして対艦角度信号を判定基準角度に用いる場合もある。
【００３９】
この第３の従来例のリミット制御機能説明図（構造図）を図９に示す。
リミットプレート５１を内蔵し、軸回りをＣＷ（時計回り）／ＣＣＷ（反時計回り）方向に回転する駆動メカにおいて、固定部に設置された上限と下限メカリミット角検出用の２個のリミットスイッチＳＷ１、ＳＷ２を備えた構造において、メカ部が各リミット点に達すると、リミットプレート５１がスイッチＳＷ１、ＳＷ２を押し、押されたスイッチの方向に回転しないように、指令電圧出力制限を設けることにより、衝突回避処理をおこなう。
【００４０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した第１から第３の従来例は以下のような問題点がある。
【００４１】
第1の従来例の問題点は次の通りである。
【００４２】
機体動揺を修正する安価で単純な方式で、角速度センサを使用しないため、構成が単純であるが、位置決め精度は悪く、速応性に欠け、ステップ状に印加される角速度外乱に対する応答に追従し得るトルクを出力できる大型トルクモータを使う必要があり、口径もしくはモータ長が大型化する難点がある。切り替え判定手段を用いることで、立上がりトルクをある程度抑える事は出来るが、判定手段による切り換え開始待ち時間が必要となり、艦船の動揺条件によっては、切り換え開始時間が長くかかる場合がおこり得る。また、切り換え時に、ステップ状の艦船ジャイロ信号が印加されることにより、追従挙動が不安定となる、といった難点がある。
【００４３】
第２の従来例の問題点は次の通りである。
図１０に空間安定動作時の対艦角速度と対空間角度の関係を示す。角度制御と角速度制御は位相が９０°異なるため、対艦角度制御モードから対空間角速度制御モードへの切り換え時、対艦ジンバル角と対艦動揺角度がほぼ一致した状態（通常対艦角度０°の位置から追従を開始する）では速度が最大となる。従って、動揺条件下の切り替えにおいて大きなトルクが必用となり、切り換え処理が難しい。よって、機体動揺の少ない航空機等に適用する方式と言える。第２の従来例は、ステップ状に印加される角速度外乱に対する応答に追従し得るトルクを出力できる大型トルクモータを使う必要があり、装置が大型化する。なお、第1の従来例に比べ、空間安定化性能は中程度である。
【００４４】
また、通常、角度センサ自身にドリフトが含まれているため、角速度指令による制御時に視軸がドリフトしてゆく難点がある。このための回避策として、角速度ループの外側に応答帯域の低い角度ループを構成する必要がある。
【００４５】
切り替え判定手段を用い、立上がりトルクをある程度抑える事は出来るが、判定手段による切り換え開始待ち時間が必要で、また切り換え判定に使用する切り換え範囲に幅をもたせるため、ステップ状外乱を除去できず、追従挙動が不安定となるといった難点がある。
【００４６】
第３の従来例の問題点は次の通りである。
【００４７】
メカリミット近辺の動作を制限する一般的な方式であるが、リミット点でのスイッチングによる切り換えのため、停止／再追従時に減速／加速による大きなステップ状トルクを生じる。従って、スムーズ停止／スムーズ再追従が出来ず、切り換え時に場合によってはジンバルが発振する。このため、応答に追従し得るトルクを出力できる大型トルクモータを使う必要があり装置が大型化する。
【００４８】
上記第１、第２のような従来方法では、切り替え処理部の判定条件により、切り換え時の追従に対応させていたため、追従の高速応答性の妨げとなっていた。また、角度ループおよび角速度ループのみの制御であるため、ジンバル制御誤差が大きく、高性能化の妨げとなっていた。
【００４９】
上記に示した以外の構造の工夫によるモータの小型化の手法として、減速装置を用いる方法もあるが、減速装置の配置スペースが必要となったり、角度や、角速度や、角加速度に対する応答性能が犠牲となる欠点がある。
【００５０】
本出願に係る発明の目的は、上記課題を解決し、制御モード間の切り換えを円滑に行なえる高精度な位置決め制御装置及び方法を提供することを目的とする。
【００５１】
より詳細には、本発明は、外乱に対する抑圧度を高め、視軸空間安定化制御誤差をきわめて小さい状態で制御でき、また判定のための切り換え開始待ち時間無しに、小さなトルクで切り換え追従できる機能を有するジンバル制御装置及び方法を提供することにある。
【００５２】
更に、本発明は、メカリミット点での停止／再復帰に際しても、安定した追従動作をはかれ、小出力トルクの小型モータで駆動し得るジンバル制御装置及び方法を提供することにある。
【００５３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被制御対象物の位置決めを制御する複数の制御モードに応じたフィードバックループを有する位置決め制御装置において、制御モードの切り換え時に、切り換え前の制御モードによる制御を、切り換え後の制御モードにおける制御に反映させる手段を有することを特徴とする位置決め制御装置である。切り換え動作時に、切り換え前の制御モードによる制御を、切り換え後の制御モードに反映させるため、制御モード間の切り換えを円滑に行なえる高精度な位置決め制御が可能になる。
【００５４】
また、本発明は、所定基準に対する被制御対象物の角度を検知する角度センサを含む角度ループと、前記所定基準に対する被制御対象物の角速度を検知する第１の角速度センサを含む角速度ループと、空間に対する被制御対象物の角速度を検知する第２の角速度センサを含む角加速度ループを有する位置決め制御装置において、角度センサで検知した角度の反映率を変化させて角度ループを制御する第１の処理器と、第１及び第２の角速度センサで検知した角速度の反映率を変化させて角速度ループを制御する第２の処理器と、角加速度ループのゲインを変化させて角加速度ループを制御する第３の処理器とを有することを特徴とする位置決め制御装置である。制御モード間の切り換えを円滑に行なえる高精度な位置決め制御装置、より詳細には、外乱に対する抑圧度を高め、視軸空間安定化制御誤差をきわめて小さい状態で制御でき、また判定のための切り換え開始待ち時間無しに、小さなトルクで切り換え追従できる機能を有する位置決め制御装置を提供することができる。
【００５５】
更に、本発明は、前記手段は、被制御対象物の位置決めの物理的な限界付近においては、所定の複数のモードを同時に動作させることを特徴とする。これにより、メカリミット点での停止／再復帰に際しても、安定した追従動作をはかれ、小出力トルクの小型モータで駆動し得る位置決め制御装置を提供することができる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
まず、電源投入から停止までの３つの制御モードＭ１〜Ｍ３の切り換えに関する本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００５７】
図１１は、本発明の第１の実施の形態によるジンバル制御装置を示すブロック図である。図１１中、前述した構成要素と同一のものには、同一の参照番号を付してある。
【００５８】
図示するジンバル制御装置は、角加速度ループ１１０、角速度ループ１１１及び角度ループ１１２を有する。本実施例の特徴の一つは、角加速度ループ１１０に角加速度ゲイン切り換え処理器１２１を設けたこと、角速度ループ１１１に角速度切り換え処理器１２２を設けたこと、角度ループ１１２に対艦指令角切り換え処理器１２３を設けたこと、そしてこれらの処理器１２１、１２２及び１２３を制御する動作パラメータ設定／反映処理器１２４を設けたことにある。
【００５９】
また、本請求項は、対艦角度制御モードＭ１と対空間角度制御モードＭ２間の切り換え処理を行なうスイッチＳＷ１とＳＷ２を具備する。
【００６０】
図１１に示す第１の実施の形態は、艦船に対するジンバルの角速度を検知する対艦角速度センサ１５からの対艦角速度信号と、空間に対する角速度検知する対空間角速度センサ２６からの対空間角速度信号とを切り換える角速度切り換え処理器１２２と、角加速度ゲイン可変処理器１２１と、対艦指令角切り換え処理器１２３を備え、大出力トルクモータを使用せず、また空間安定化性能を劣化させることなく、制御モード切り換え時に、安定追従できることを特徴とする。換言すれば、第１の実施の形態は、切り換え前の制御モードに関する動作パラメータ値を、切り換え後の制御モードに動的に反映させる。
【００６１】
この構成では、角速度切り換え処理器１２２により、対艦角速度信号と対空間角速度信号のそれぞれの反映割合を乗算し、加算することで、制御モードの切り換え時の対艦角速度と対空間角速度の切り換え時の角速度変化のスムーズ化をはかる機能を有する。反映割合（反映率とも言う）とは、角速度切り換え処理器１２２の出力信号が対艦角速度と対空間角速度にどの程度依存したものなのかを示す割合（％）である。換言すれば、反映割合とは、角速度切り換え処理器１２２の出力信号における角加速度ループ１１０のゲインと角速度ループ１１１のゲインとの割合である。
【００６２】
角加速度ゲイン可変処理器１２１では、角加速度ループ１１０のゲインの反映率を０から１００％まで可変し、制御モード切り換え時のステップ状角加速度応答に対応させることで切り換え時の角加速度変化のスムーズ化をはかる機能を有する。
【００６３】
対艦指令角切り換え処理器１２３は、対艦指令角度の反映率を０から１００％まで可変し、切り換え時から実動揺角度にゆっくりと変化させることで切り換え時の動揺外乱変化をスムーズ化する機能を有する。減算器１２７は、ジンバル対艦角度から対艦指令角切り換え処理器１２３の出力を減算し、減算器２１に出力する。
【００６４】
上記３つの処理器の機能を併用する事で、制御モード切り換え時のステップ状駆動トルクの発振を除去することができ、モータ出力トルク範囲内で、切り換え制御でき、空間安定駆動時に必要となる外乱抑圧トルクと、駆動に必要な慣性トルクを合算考慮するだけの小型モーターを選定使用でき得る。
しかも、切り換え終了時の制御パラメータゲインを下げる必要がないため、空間安定制御時の視軸の安定性（追従精度）が本来の制御精度を維持でき、かつ ステップ状トルクの発生主要因である対艦指令角度の反映率を０〜１００％の間でスムーズ可変するため、制御モード切り換え時の待ち時間が不要となる。
【００６５】
動作パラメータ設定／反映処理部１２４は、動作パラメータを設定／記憶し、サーボアンプ１４への電流指令電圧を監視し、艦船に対する角速度から空間に対する角速度への変化割合と、角加速度フィードバックループ１１０のゲイン反映割合と、対艦指令角度の反映割合について、モータ印加電流電圧がモータ指令電圧リミット値を超えないようにコントロールする。この構成では、動作パラメータ設定／反映処理部１２４にて設定、記憶させた動作パラメータに対応した切り換え割合を演算出力を行うことが出来るため、動作パラメータ設定値を変更する事で、動揺条件や機械構造の異なる他システムへ適応させることが出来る。
【００６６】
図１２に、動作パラメータ設定／反映処理部１２４の一構成例を示す。動作パラメータ設定／反映処理部１２４は、演算部１３１と記憶部（メモリ）１３２とを有する。演算部１３１は、対艦指令角反映割合演算部１３３と、角加速度ゲイン反映割合演算部１３４と、角速度反映割合演算部１３５とを有する。記憶部１３２は、パソコン１３６から供給される動作パラメータや初期値設定データを受け取り、格納する。
【００６７】
角速度反映割合演算部１３５は、切り換え時のパラメータ設定値を用いた演算を行ない、角速度切り換え処理器１２２への制御信号を生成する。より具体的には、角速度反映割合演算部１３５は、艦船に対する角速度を検知する対艦角速度センサ１５の対艦角速度信号１３８と空間に対する角速度を検知する対空間角速度センサ２６からの対空間角速度信号の反映割合を、パソコン１３６で記憶部１３２に設定された初期設定基準切り換え率とモータ電流指令電圧１３７の関数式にしたがって可変制御する。この構成では、制御モード切り換え時の駆動に必要なトルクをモータの出力できる定格トルク内に抑えることが出来、開始時間待ちなしに、短い時間でスムーズに安定した、切り換え動作を実現できる。
【００６８】
角加速度ゲイン反映割合演算部１３４は、切り換え時のパラメータ設定値を用いた演算を行ない、角加速度ゲイン切り換え処理器１２１への制御信号を生成する。より具体的には、角加速度ゲイン反映割合鉛残部１３４は、角加速度ループ１１０のゲインの反映割合を、パソコン１３６で記憶部１３２に設定された初期設定増分値とモータ電流指令電圧１３７を使った関数式にしたがって０〜１００％変化させる。この構成では、角加速度ループ１１０のフィードバック応答ゲインの反映割合を可変制御することにより、必要なトルクをモータの出力できる定格トルク内に抑えることが出来、ジンバルの過渡応答を無くし、開始時間待ちなしに、短い時間でスムーズにジンバルの追従動作を完了できる。
【００６９】
対艦指令角反映割合演算部１３３は、切り換え時のパラメータ設定値を用いた演算を行ない、対艦指令角切り換え処理器１２３への制御信号を生成する。より具体的には、対艦指令角反映割合演算部１３３は、艦船動揺角度（艦船ジャイロ信号）２７が示す空間安定立上げ／停止時の動揺補正角度の反映割合を、初期設定増分値とモータ電流指令電圧１３７を使った関数式にしたがって０〜１００％変化させる。このように、対艦指令角反映割合演算部１３３は、角度補正量の反映割合を可変制御することにより、必要なトルクをモータの出力できる定格トルク内に抑えることが出来、ジンバルの過渡応答を無くし、開始時間待ちなしに、短い時間でスムーズにジンバルの追従動作を完了できる。なお、艦船動揺角度（艦船ジャイロ信号）２７に、積分器１２５が出力する対艦視軸角を加算器１２６で加算した信号を、対艦指令角切り換え処理器１２３の入力とすることが好ましい。
第２の実施の形態
図１３は、本発明の第２の実施の形態によるジンバル制御装置を示すブロック図である。図１３中、前述した構成要素と同一のものには、同一の参照番号を付してある。第２の実施の形態は、前述したジンバル・メカリミット角度近辺での３種制御モードＭ１〜Ｍ３の切り換え方式に関する。
【００７０】
図１３に示す構成は、ジンバル・メカリミット角度近辺にて、艦船に対する角速度を検知する対艦角速度センサ１５の出力信号と空間に対する角速度を検知する対空間角速度センサ２６の出力信号の反映割合を角度に応じて変化させる角速度切り換え処理器１２２と、角度ループ１１２Ａに設けた角度／角速度リミット処理器１４０と、対艦指令角切り換え処理器１２３を備える。角度／角速度リミット処理器１４０は、図１１に示す減算器１８を加算器１８Ａと減算器１８Ｂにニ分割し、その間に設けられている。これにより、対艦指令角度がジンバル稼動角度範囲内では対空間角度／角速度制御動作を行い、動揺補正角度がジンバル・メカリミット設定角度を超えた状態では対艦船制御モードに切り換わって対艦位置決め制御を行うことで、稼動角度リミット点近辺での衝突回避機能と、スムーズな切り換えを行うことを特徴とする。換言すれば、ジンバル・メカリミット点近辺での対空間角度制御と対艦角度制御及び２種混合制御を行う事で衝突回避と復帰機能を有し、制限範囲突入／脱出時の駆動トルク緩和機能を抑え、低駆動トルクにてスムーズな追従／復帰動作を行うことができる。
【００７１】
動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａは、上限、下限、対艦角度リミット値と、上限、下限、対艦角速度リミット値、最大許容角速度と最低許容角速度の値を動作パラメータとして設定／保存／反映し、角速度切り換え処理器１２２と、角度／角速度リミット処理器１４０と、対艦指令角切り換え処理器１２３のそれぞれに対する制御信号中の反映割合を演算出力する。この構成では、動揺条件や機械構造の異なる他製品に対応した動作パラメータの設定値を変更する事で、機種に依存する稼動角度リミット点での衝突防止機能に対応できる。
【００７２】
図１４は、角度／角速度リミット処理器１４０の一構成例を示す図である。角度／角速度リミット処理器１４０は、角度／角速度リミット演算部１４１と、角速度指令出力フィルタ１４２とを有する。
【００７３】
角度／角速度リミット演算部１４１は、ジンバル対艦角度を観察し、メカリミット角度近辺において艦船に対する角速度と空間に対する角速度の反映割合をジンバル対艦角度に応じて０〜１００％の間で可変させる。すなわち、メカリミット点近辺に、対艦角速度と対空間角速度を混合して反映する領域を設け、対空間制御モードと対艦制御モードと角速度信号の切り換えを補完することになる。例えば、メカリミット角度を超えた領域では、対艦角速度を１００％反映し、混合領域では双方反映割合の合計が１００％となるように、それぞれの角速度信号を０〜１００％の間で可変し、前記以外の空間安定領域では、対空間角速度信号を１００％反映する。以上により、メカリミット点近辺での角速度変化が連続性をもつため、所要駆動トルクを抑え、稼動角度リミット点での衝突防止／再復帰機能とスムーズ切り換えを行うことができる。
【００７４】
角速度指令出力フィルタ１４２は、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａにて設定した動作パラメータに対応し、角速度制限を加えた後にフィルタ処理する機能を行う。このフィルタ処理により、ジンバル対艦角と指令角速度リミッタを設定テーブルに設け、設定パラメータとジンバル対艦角度を基に、入力角速度を制限する角度／角速度リミット演算部を設け、出力フィルタにより急激な角速度指令をなまらせる機能の相乗効果が得られる。よって、角速度の急激なステップ状入力をなくし、所要駆動トルクを抑え、稼動角度リミット点での衝突防止／再復帰機能とスムーズ切り換えを行うことができる。
【００７５】
図１５は、対艦指令角切り換え処理器１２３の一構成例を示す図である。対艦指令角切り換え処理器１２３は、演算部１４４と出力リミッタ１４５とを有する。演算部は、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａにて設定した対艦指令角反映率（ｕ［１］）と、加算器１２６からの空間対艦指令（ｕ［２］）とを所定演算（ｆ（ｕ））し、体感指令角演算出力値を算出して出力リミッタ１４５に出力する。出力リミッタ１４５は、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａにて設定したプラス側及びマイナス側の対艦角度リミット角度に従い、入力する対艦指令角度を制限するリミット機能を有する。この構成では、設定したリミット角に対応した出力リミット機能を設けることにより、対艦補正角度と対空間視軸角度の加算値である対艦指令角度がメカリミットを超えないように制限することで、稼動角度リミット点以上の動揺が発生しないように制限することができ、衝突防止と復帰を確実に実現できる。
実施例
図１６は、本発明の一実施例を示す図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。
【００７６】
図１６に示す構成は、前述の第１及び第２の実施の形態の両方を含む構成である。図１６に示す構成は、図１３に示す構成に対艦角度記憶処理器１４７を設けたものである。対艦角度記憶処理器１４７は、ジンバル対艦角度に応じた対艦視軸角を記憶する。この対艦視軸角は、図１３に示す積分器１２５の出力信号に相当する。
【００７７】
対艦角度記憶処理器１４７の機能をスイッチＳＷ１とＳＷ２との関連で説明すると、次の通りある。対空間角速度制御モードＭ３時は、対角度ループ反映スイッチとして機能するスイッチＳＷ２をＯＦＦし、外部角速度信号反映スイッチとして機能するスイッチＳＷ１をＯＮにすることで、対空間角度制御モードＭ２への切り換えを行う。一方、対空間角度制御モードＭ２から対空間角度制御モードＭ３への切り換え時は、対艦角度記憶処理器１４７に対空間視軸角度値を記憶し、外部角速度信号反映スイッチＳＷ１をＯＦＦ、対角度ループ反映スイッチＳＷ２をＯＮとする。このように、切り換え時の角度誤差を０とすることで、切り換え時の駆動に必要なトルクを低減でき、切り換え待ち時間無しに、ジンバルのスムーズ切り換え動作を実現することができる。例えば、視軸を任意方向に指向（対空間角速度制御モードＭ３）させた後、対空間角度制御モードＭ２に切り換える場合に一瞬で切り換えることが出来る。
<動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａの説明>
動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａは、サーボアンプへの電流指令電圧をモニターし、角速度切り換え処理部１２２、角加速度ゲイン切り換え処理部１２１、及び対艦指令角切り換え処理部１２３への反映割合を内部演算し、角速度切り換え処理部１２２と角加速度ゲイン可変処理部１２１と対艦指令角切り換え処理部１２３にそれぞれ演算結果を出力し、各処理器への変化率をコントロールする。また、角度／角速度リミッタ処理部１４０、角加速度ゲイン切り換え処理部１２１、対艦指令角切り換え処理部１２３へのパラメーター設定を行う機能を有する。
【００７８】
動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａの機能ブロック図は、前述した図１２に示す通りである。また、設定／記憶する動作パラメータと信号出力内容の一覧を図１７に示す。図１２に示すように、動作パラメータの設定と反映処理は、記憶部１３２と演算部１３１で行なわれる。記憶部１３２は、外部のパソコン１３６から入力指示された図１７に示した各動作パラメータの初期値を記憶し、演算部１３１及び各処理部へパラメータを受け渡す機能を有する。演算部１３１は、対艦指令角反映割合演算部１３３、角加速度ゲイン反映割合演算部１３４、角速度切り換え割合演算部１３５の３ブロックから構成され、記憶された動作パラメータと、モータ電流指令電圧および対艦角度のモニタ信号を基に内部演算し、個々に対応した切り換え処理器へ反映率を出力し、切り換え状態をコントロールする機能を有する。
【００７９】
ここで、図１７に示す動作パラメータ設定内容の一例を説明すると、Ｎｏ．１のパラメータはモータ電流指令電圧リミット値で、その内容は電圧判定パラメータである。このパラメータに関して動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａの演算部１３１が出力する信号は、対艦目標角反映率、角加速度ゲイン反映率、角速度指令補正値、角速度反映率であり、それぞれの信号出力先は対艦指令角切り換え処理器１２３、角加速度ゲイン可変処理器１２１、角度／角速度リミット処理器１４０及び角速度切り換え処理器１２２である。
【００８０】
次に演算部１３１の個々の説明を行う。
<対艦指令角反映割合演算部１３３の説明>
図１８に対艦指令角反映割合演算部１３３のブロック図を、図１９に制御モード切り換え条件と条件別演算式一覧を示す。
【００８１】
対艦指令角反映割合演算部１３３は、外部からの制御コマンド（ｕ［０］）と、モータ電流指令電圧（ｕ［１］)、及び記憶部１３２に設定した動作パラメータであるモータ電流指令リミット値（ｕ［２］）、対艦指令角基準切り換え率（ｕ［３］）、対艦指令角反映率（ｕ［４］）を入力変数として取り込み、図１９に示した条件式にしたがって、対艦指令角反映率ｆ（ｕ）を計算出力する。
【００８２】
対空間角度制御モードＭ２から対空間角速度モードＭ３の切り換え時、もしくは対空間角速度モードＭ３から対空間角度制御モードＭ２への切り換え時においては、対艦指令角反映率は無条件で１（固定）となる。その他の制御モード切り換え時は、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）とモータ電流指令リミット値（ｕ［２］）を比較し、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）値の絶対値が、モータ電流指令リミット値（ｕ［２］）値を超えた場合、反映率の変化を止め、トルク復旧まで保持させる。モータ電流指令電圧（ｕ［１］）値の絶対値が、モータ電流指令リミット値（ｕ［２］）値を超えない場合は、モータに対するトルクマージンがあるので、対艦指令角反映率（ｕ［４］）値に、対艦指令角基準切り換え率（ｕ［３］）を図１９の演算式にしたがって加減算し出力する。
【００８３】
ここで、演算結果の値が０の場合は、反映率０％を、１の場合は反映率１００％を示す。なお、サーボアンプにモータ印加電流検出機能がある場合、モータ電流指令電圧のかわりに、検出電流を利用し、モータ電流指令リミット値をモータ電流リミット値としても良い。
<角加速度ゲイン反映割合演算部１３４の説明>
図２０に角加速度ゲイン反映割合演算部１３４のブロック図を、図２１に制御モード切り換え条件と条件別演算式一覧を示す。
【００８４】
角加速度ゲイン反映割合演算部１３４は、外部からの制御コマンド（ｕ［０］）と、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）、及び記憶部１３２に設定／記憶した動作パラメータであるモータ電流指令リミット値（ｕ［２］）、角加速度ゲイン基準切り換え率（ｕ［３］）、角加速度ゲイン反映率（ｕ［４］）を入力変数として取り込み、図２１に示した条件式にしたがって角加速度ゲイン反映率を計算出力する。
【００８５】
対空間角度制御モードＭ２から対空間角速度モードＭ３の切り換え時、もしくは対空間角速度モードＭ３から対空間角度制御モードＭ１への切り換え時においては、対艦指令角反映率は無条件で １（固定）となる。その他の制御モード切り換え時は、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）と、モータ電流指令リミット値（ｕ［２］）を比較し、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）値の絶対値がモータ電流指令リミット値（ｕ［２］）値を超えた場合、反映率の変化を止め、トルク復旧まで保持させる。
【００８６】
モータ電流指令電圧（ｕ［１］）値の絶対値が、モータ電流指令リミット値（ｕ［２］）値を超えない場合は、モータに対するトルクマージンがあるので、角加速度ゲイン反映率（ｕ［４］）値に、角加速度ゲイン基準切り換え率（ｕ［３］）を表の演算式にしたがって加減算し出力する。
【００８７】
ここで、演算結果の値が０の場合は、反映率０％を、１の場合は反映率１００％を示す。なお、サーボアンプにモータ印加電流検出機能がある場合、モータ電流指令電圧のかわりに検出電流を利用し、モータ電流指令リミット値をモータ電流リミット値としても良い。
<角速度反映割合演算部１３５の説明>
図２２に角速度反映割合演算部１３５のブロック図を、図２３（Ａ）に制御モード切り換え時の反映条件と条件別演算式一覧を、図２３（Ｂ）に駆動範囲領域別の反映条件と条件別演算式一覧を示す。
【００８８】
角速度反映割合演算部１３５は、外部からの制御コマンド（ｕ［０］）、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）と、対艦角度センサからの対艦角度（ｕ［２］）、及び記憶部に設定した動作パラメータであるモータ電流指令リミット値（ｕ［３］）、角速度基準切り換え率（ｕ［４］）、対艦角速度リミット角（＋）（ｕ［５］）、対艦角速度リミット角（−）（ｕ［６］）、対艦角度リミット角（＋）（ｕ［７］）、対艦角度リミット角（−）（ｕ［８］）、角速度反映率（ｕ［９］）を入力変数として取り込み、図２３に示した条件式にしたがって角速度反映率を計算出力する。
【００８９】
制御モードの切り換え時は、図２３（Ａ）に制御モード切り換え時の反映条件と条件別演算式を反映する。対空間角度制御モードＭ２から対空間角速度モードＭ３の切り換え時、もしくは対空間角速度モードＭ３から対空間角度制御モードＭ２への切り換え時においては、角速度反映率は無条件で１（固定）となり、対空間角速度を１００％反映することになる。
【００９０】
その他の制御モード切り換え時は、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）とモータ電流指令リミット値（ｕ［３］）を比較し、モータ電流指令電圧（ｕ［１］）値の絶対値がモータ電流指令リミット値（ｕ［３］）値を超えた場合、反映率の変化を止め、トルク復旧まで保持させる。モータ電流指令電圧（ｕ［１］）値の絶対値が、モータ電流指令リミット値（ｕ［３］）値を超えない場合は、モータに対するトルクマージンがあるので、角速度反映率（ｕ［９］）値に、角速度基準切り換え率（ｕ［４］）を図２３の演算式にしたがって加減算し出力する。
【００９１】
ここで、演算結果の値が０の場合は、反映率０％を、１の場合は反映率１００％を示す。なお、サーボアンプにモータ印加電流検出機能がある場合、モータ電流指令電圧のかわりに、検出電流を利用し、モータ電流指令リミット値をモータ電流リミット値としても良い。
【００９２】
ジンバル・メカリミット制限が有る場合、図２３（Ｂ）に示した駆動範囲制限時の反映条件と条件別演算式を反映する。
【００９３】
対艦角度制御モードＭ１では、角速度反映率は無条件で ０（固定）となり、１００％対艦角速度を反映することとなる。
【００９４】
対空間角度制御モードＭ２及び対空間角速度制御モードＭ３時には、図２３（Ｂ）に示した演算式に従い、演算出力する。演算では、ジンバル角度が対空間角速度反映領域であるか、対艦角速度反映領域であるか、対空間角速度反映領域と対艦角速度反映領域の2種混合反映領域であるかを判断し、対空間角速度反映領域では１００％対空間角速度センサ２２の値を、対艦角速度反映領域では１００％対艦角速度センサの値を、2種混合反映領域では反映率を演算出力し、対空間角速度センサ２６と対艦角速度センサ１５の出力値を混合し制御する。
【００９５】
ここで、演算結果の値が０の場合は、反映率０％を、１の場合は反映率１００％を示す。なお、サーボアンプにモータ印加電流検出機能がある場合、モータ電流指令電圧のかわりに、検出電流を利用し、モータ電流指令リミット値をモータ電流リミット値としても良い。
<角加速度ゲイン可変処理器１２１の説明>
角加速度ループ１１０に角加速度ゲイン可変処理器１２１を設け、立上げ／停止時のフィードバック・ループゲインを動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａの反映割合を基に演算し、可変出力する。
【００９６】
図２４に、角加速度ゲイン切り換え処理器１２１の機能ブロック図と演算式を示す。角加速度ゲイン切り換え処理器１２１は、出力演算部１５１と出力リミット処理器１５２、及びローパス・フィルタ１５３から構成される。
動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａからの反映率（ｕ［１］）と、トルクオブザーバ１７からのフィードバック出力値（ｕ［２］）を使い、出力演算部１５１にて、図示する演算式ｆ（ｕ）＝ｕ［１］＋ｕ［２］にしたがって反映率を算出する。また、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａから入力される角加速度出力リミッタ設定値（ｕ［３］）を使い、出力演算部１５１にて計算した出力値を制限する。更に、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａから入力される出力フィルタ定数（ｕ［４］）を使ったローパスフィルタ１５３にて、ジンバルが追従出来ない高周波領域のノイズ成分、ならびにメカ共振や電気ノイズの影響を除去し、角加速度フィードバック信号として出力する。
<角速度切り換え処理器１２２の説明>
角速度ループ１１０に角速度切り換え処理器１２２を設け、制御モード切り換え時、およびメカニカル駆動リミット点近辺での反映角速度を演算し出力する。
【００９７】
角速度切り換え処理器１２２の機能ブロック図及び演算式を図２５に、角速度反映の様子を図２６に示す。
角速度切り換え処理器１２２は、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａから出力される角速度反映率、及び対艦角速度と対空間角速度との２系統の検出信号を入力し、図示する演算式ｆ（ｕ）＝ｕ［２］×ｕ［１］＋ｕ［３］）×（１−（ｕ［１］）に従って、反映角速度を演算し出力する。
角速度切り換え処理器１２２は、３つの制御モードＭ１〜Ｍ３のスムーズ切り換え機能と、ジンバル・メカリミット近辺でのスムーズ停止／再追従機能を有する。
図２６に示すように、対空間角度制御モードＭ２時および、対空間角速度制御モードＭ３時は、ジンバル対艦角度が、対艦角速度リミット角度（＋）から対艦角速度リミット角度（−）の範囲内にある条件では、角速度切り換え処理器１２２は１００％対空間角速度を反映した信号を使用する。
ジンバル対艦角度が、対艦角度リミット角度（＋）以上、もしくは対艦角度リミット角度（−）以下の範囲にある場合、角速度切り換え処理器１２２は１００％対艦角速度を反映した信号を出力する。
ジンバル対艦角度が、対艦角速度リミット角度（＋）から対艦角度リミット角度（＋）の範囲、 もしくは対艦角度リミット角度（−）から対艦角速度リミット角度（−）の範囲内にある条件下では、対空間角速度と対艦角速度の信号を混合して出力する。
<角度／角速度リミット処理器１４０の説明>
角度／角速度リミット処理器１４０は角度ループ１１２Ａ内に設けられ、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａからの動作パラメータと指令角速度、ジンバル対艦角度を使い、角速度指令出力値を出力する。
【００９８】
角度／角速度リミット処理器１４０の一構成例を前述した図１４に、図１４に示す角度／角速度リミット演算部１４１の演算を図２７に示す。
角度／角速度リミット処理器１４０では、動作パラメータの設定／反映処理器にて設定した最大許容角速度（＋）、最大許容角速度（−）、最低許容角速度（＋）、最低許容角速度（−）、対艦角度リミット角度（＋）、対艦角度リミット角度（−）、対艦角速度リミット角度（＋）、対艦角速度リミット角度（−）の計８個の動作パラメータにより形成される、図２７に示した▲１▼〜▲５▼の領域に角速度指令値が入るように、対艦角度に対しリミッタをかける。
【００９９】
角度／角速度リミット処理器１４０は、角度／角速度リミット演算部１４１と角速度指令出力フィルタ１４２を有し、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａからの動作パラメータ設定値が反映される。
指令角速度信号（ｕ［２］）と対艦角度（ｕ［１］）を角度／角速度リミット演算部１４１に入力し、動作パラメータ計８個（最大許容角速度（＋）、最大許容角速度（−）、最低許容角速度（＋）、最低許容角速度（−）、対艦角度リミット角度（＋）、対艦角度リミット角度（−）、対艦角速度リミット角度（＋）、対艦角速度リミット角度（−））の動作パラメータを基に、角度／角速度リミット演算部１４１にて図２７に示した領域を制限するように反映演算出力し、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａからの角速度出力フィルタ定数を使用した角速度指令出力フィルタ１４２を通過させ、補正された角速度指令値を出力する。
【０１００】
演算部１４１は図２７の状態では、図中三角で示した部分にて停止／復旧の角度指令値がランプ状波形となるため、角加速度を生じ、瞬間的ではあるが、所要トルクが増大する。
【０１０１】
演算部１４１を図２８の形状とすることにより、図中丸で示した対艦角速度リミット点での停止動作は、角度指令値が滑らかとなるため所要トルクは抑えられスムーズ化できるが、図中三角で示した再復帰点では、角度指令値がランプ状波形となるため、角加速度を生じ、瞬間的ではあるが、所要トルクが増大する。
【０１０２】
演算部１４１を図２９の形状とすることにより、図中丸で示した対艦角速度リミット点での停止動作と、対艦角度リミット角での再復帰点の双方で、角度指令値が滑らかとなるため所要トルクは抑えられ動作のスムーズ化がはかれる。
<対艦指令角切り換え処理器１２３の説明>
対艦指令角切り換え処理器１２３は、角度ループ１１２Ａ内に設けられ、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａにより指示された対艦指令角反映割合と空間対艦指令角度を基に、図１５に示す演算部１４４にて対艦指令角を演算する。
【０１０３】
対艦角度制御モードＭ１では、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａからの対艦指令角反映割合は０（対艦指令角度出力も０）となり、ジンバル対艦角信号のみがフィードバックされる。
対艦角度制御モードＭ１と対空間角度制御モードＭ２、及び対空間角速度制御モードＭ３移行時には、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａからの対艦指令角反映割合は0〜１の間で可変する。対空間角度制御モードＭ２、及び対空間角速度制御モードＭ３時には、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａからの対艦指令角反映割合は１で固定され、１００％空間対艦指令角度となる。対空間角度制御モードＭ２及び対空間角速度制御モードＭ３時には、対艦指令角切り換え処理器１２３に内蔵する出力リミッタ１４５により、例えば、視軸が水平線を大きく外れ、ジンバル・メカリミット角度を超えないように、動作パラメータ設定／反映処理部１２４Ａからの対艦角度リミット角度（＋）と対艦角度リミット角度（−）により出力制限する。
【０１０４】
図１５に示す演算部１４４の演算式は、ｆ（ｕ）＝ｕ［１］×ｕ［２］である。動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａにより指示された対艦指令角反映割合（ｕ［１］）と空間対艦指令角（ｕ［２］）を基に、上記演算式に従って対艦指令角度を演算し、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａにて設定した対艦角度リミット角度（＋）（ｕ［３］）と対艦角度リミット角度（−）（ｕ［４］）により指示される角度リミット制限をおこなうことにより、メカニカル・リミット角度を超えないように対艦目標角度出力の値を出力制限する。
<対空間角度制御と対空間角速度制御の切り換えの説明>
外部対艦角速度指令（例えばジョイスティック）により、視軸を対空間に対し任意方向に指向させる対空間角速度制御モードＭ３に移行する場合、角度ループ反映スイッチＳＷ２と、外部対空間角速度指令、外部対空間角速度反映スイッチＳＷ１と、艦角度記憶処理器１４７を用い、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａが制御コマンドを監視し、対空間角速度モードＭ２に切り換わった時、ＳＷ２をＯＦＦ（切り離す）することで角度制御を切り離し、対空間角速度制御Ｍ２に切り換え、ＳＷ１をＯＮ（接続）し、対艦角速度指令を接続反映する。
<対艦角度記憶処理器１４７の説明>
対空間角速度制御モードＭ３から対空間角度制御モードＭ２もしくは対艦角度制御モードＭ１に切り換える時、外部対空間角速度反映スイッチＳＷ１をＯＦＦし（切り離す）、対艦角度記憶処理器１４７内の演算器にて演算した対艦視軸角を瞬時に内部のメモリに記憶して、記憶角度を対艦視軸角として反映し、スイッチＳＷ２をＯＮ（接続）する。
【０１０５】
図３０に対艦角度記憶処理器１４７のブロック図を示す。対艦角度センサ２４からのジンバル対艦角から、対艦補正角処理器からの空間対艦動揺角を減算器１５５で減算することで算出した対艦視軸角を、制御コマンドが対空間角速度制御モードからの切り換えをトリガとして記憶メモリ１５６に記憶し、対艦視軸角として出力する。
【０１０６】
以上説明した、第１及び第２の実施の形態及び実施例によれば、以下の効果が得られる。
【０１０７】
角速度切り換え処理器１２２と、角加速度ゲイン可変処理器１２１と、対艦指令角切り換え処理器１２３を備え、反映信号を切り換えることにより、制御指令コマンドからの制御モード切り換えを実現できる。
【０１０８】
動作パラメータ設定／反映処理器１２４、１２４Ａにより、対艦角度制御モードＭ１と対空間角度制御モード間Ｍ２の切り換え時に、モータ電流指令電圧が設定値を超えないように、各切り換え処理器１２１〜１２３での反映率をコントロールすることができ、また動作パラメータを設定／記憶／外部反映することで、諸元の異なる他の駆動システムに対しても対応することができる。
【０１０９】
角速度切り換え処理器１２２により、対艦角速度と対空間角速度の切り換え割合をスムーズ反映でき、安定した切り換え動作を実現できる。
【０１１０】
角加速度切り換え処理器１２２により、角加速度フィードバック・ループ１１０の反映ゲインの反映割合をスムーズ反映でき、切り換え時に発生する起動トルクを抑えることができる。
【０１１１】
対艦指令角切り換え処理器１２３により、対艦指令角の切り換えをスムーズ反映でき、安定した切り換え動作を実現できる。
【０１１２】
トルク不足により急激な応答に対応出来ない小型モータを使用でき、外乱条件下（例えば、艦船出港後の艦船動揺条件、風雨の強い悪天候時、低温条件下、高速航行による振動等）においても、ジンバル搭載カメラ視軸をスムーズに空間に対し安定化をはかり、高精度位置決めすることができる。
【０１１３】
図３１に、本発明を用いて対空間角度制御モードＭ２から対空間角速度制御モードＭ３への切り換えシミュレーション例を示す。図の横軸に、経過時間「秒」を、左側縦軸に、対艦に対する指令角度、ジンバル追従角度、艦船動揺角度（角度単位は[°]）をそれぞれ示し、右側縦軸にモータ電流指令電圧（角度単位は[Ｖｏｌｔ]）をとり、シミュレーション結果（艦に対する指令角度、ジンバル追従角度、艦船動揺角度、モータ電流指令電圧）をプロットしたものである。尚、モータ電流指令電圧は、±１０Vで定格トルクを出力するスケールファクタとなっている。
【０１１４】
対艦角速度制御モード領域（０から１.８秒）では、ジンバルは艦船に対し、対艦角度指令からの」指令で、格納位置（ここでは、−５５°）から対艦角度基準角度０°に追従制御し、外部制御コマンドが、対空間角度制御モードに切り換わった時点（１.８秒）で、制御モード移行期間約1秒を要し、対空間角度制御モードに移行している。
【０１１５】
対空間角度制御モードに切り換わった時（１.８秒）、モータ電流指令電圧に変化が無く安定駆動している様子が図から見て取れる。
【０１１６】
また、本発明の第２の実施の形態及び実施例によれば、角速度切り換え処理器１２２と、角度ループ１１２Ａに設けた角度／角速度リミット処理器１４０と、対艦指令角切り換え処理器１２３を備え、反映信号を切り換える事により、ジンバル・メカリミット角度近辺での衝突回避と、駆動トルクを抑え、スムーズ追従動作を行うことができる。
【０１１７】
また、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａにより、ジンバル・メカリミット角度近辺での衝突回避のための動作パラメータを設定／記憶／外部反映し、角速度切り換え処理器１２２と、角度ループ１１２Ａに設けた角度／角速度リミット処理器１４０と、対艦指令角切り換え処理器１２３の反映率をコントロールすることができる。
【０１１８】
角速度切り換え処理器１２２により、対艦角速度と対空間角速度の切り換え割合をスムーズ反映できる。
【０１１９】
角度／角速度リミット処理器１４０により、ジンバル対艦角度に対する指令角速度を制限できる。
【０１２０】
図３２に、本発明を使いた対空間角度制御モードＭ２から対艦角度制御モードＭ１への切り換えシミュレーション結果例を示す。図の横軸に経過時間「秒」を、左側縦軸に対艦に対する指令角度、ジンバル追従角度、艦船動揺角度（角度単位は[°]）をそれぞれ示し、右側縦軸にモータ電流指令電圧（角度単位は[Ｖｏｌｔ]）をとり、シミュレーション結果（艦に対する指令角度、ジンバル追従角度、艦船動揺角度、モータへの電流指令電圧）をプロットしたものである。尚、モータ電流指令電圧は、±１０Vで定格トルクを出力するスケールファクタとなっている。
【０１２１】
対空間角速度制御モード領域（０から４秒）では、大きな空間対艦視軸角を有した状態で、空間対艦船動揺外乱に対し、視軸の空間安定化を図り、対艦角度制御モードへの切り換え時（４秒）の対艦角度位置から格納位置格納位置（本例では、−５５°）に駆動させている。
【０１２２】
本シミュレーション例では、動作パラメータ設定／反映処理器１２４Ａにより設定された対艦角速度リミット角度（＋）を超え、対艦角度リミット角度（＋）の領域まで、対艦指令角がおよんでいる状態でのジンバル・メカリミット近辺での動作を確認できる。
【０１２３】
対艦角速度リミット角度（＋）を超え、対艦角度リミット角度（＋）の領域まで、角速度反映処理部が正常に働き、ジンバル追従角度が、対艦角度リミット角度（＋）を超え、オーバーシュートしていない様子を見て取れる。
【０１２４】
制御モード切り換え時（４秒）および対艦角速度リミット角度（＋）を超えた領域にて、モータ電流指令電圧に過大な変化が無く、安定駆動している様子が図から見て取れる。
【０１２５】
また、対艦角度記憶処理器１４７により、対空間角速度制御モードＭ３からの切り換え時に対艦視軸角を記憶／反映し、外部角速度指令を切り離し、角度ループを接続反映することで、瞬時切り換えを実現できる。
【０１２６】
図３３に、本発明を用いた対空間角度制御モードＭ２と対空間角速度制御モードｍ３の切り換えシミュレーション結果例を示す。図の横軸は、経過時間「秒」を、左側縦軸は、対艦角度指令、ジンバル追従角度、空間対艦船動揺角度（角度単位は[°]）をそれぞれ示し、右側縦軸は、モータへの電流指令電圧（角度単位は[Ｖｏｌｔ]）を示し、シミュレーション結果（艦対する指令角度、ジンバル対艦角度、空間対艦船動揺角度、モータへの電流指令電圧）をプロットしたものである。尚、モータ電流指令電圧は、±１０Vで定格トルクを出力するスケールファクタとなっている。
【０１２７】
対空間角度制御モード領域（０から１秒）では、空間対艦視軸角（０°）の状態で、視軸の空間安定化を図っており、ちょうど空間対艦船動揺角とほぼ一致して制御されている。対空間角速度制御モードへの切り換え時（１秒）の対空間角度制御モードＭ２から、対空間角速度制御モードＭ３に瞬時に切り換えている。
【０１２８】
本例では、対空間角速度制御モード領域（１秒から５秒）において、外部対空間角速度指令信号が常に最大角速度で印加され続けている状態（ジンバル・メカリミット近辺での本発明要素が機能し、手前で停止すること）を想定している。
【０１２９】
対艦角速度制御モードへの切り換え（１秒）後、外部対空間角速度指令を反映し、ジンバル（視軸）が、対艦角速度リミット角度（＋）を越え、対艦角度リミット角度（＋）でスムーズ停止していることがわかる。
【０１３０】
対艦角速度制御モードから対空間角度制御モードへの切り換え時（５秒）では、対艦角度記憶処理器１４７に視軸角を記憶し、対艦指令角切り換え処理器にてスムーズ切り換えを行っている関係上、対艦角度リミット角度（＋）からの行き過ぎ量が対艦角度リミット角度（＋）設定角度範囲内に戻るまで、若干の時間を要している。
【０１３１】
図中、モータ電流指令電圧プロットをみてもわかるように、制御モードの切り換え動作、およびジンバル・メカリミット点近辺での過渡的な電圧変動は見られず、安定動作していることがわかる。
【０１３２】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明した。本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、艦船以外の物体に搭載されるジンバルの制御を含むものである。また、被制御対象物はカメラに限定されるものではない。
【０１３３】
最後に、本発明の要旨の一部を以下に列挙する。
【０１３４】
（付記１） 被制御対象物の位置決めを制御する複数の制御モードに応じたフィードバックループを有する位置決め制御装置において、
制御モードの切り換え時に、切り換え前の制御モードによる制御を、切り換え後の制御モードにおける制御に反映させる手段（１２１、１２２、１２３、１２４、１２４Ａ）を有することを特徴とする位置決め制御装置。
【０１３５】
（付記２） 前記手段は、切り換え前の制御モードに関する動作パラメータ値を、切り換え後の制御モードに動的に反映させることを特徴とする付記１記載の位置決め制御装置。
【０１３６】
（付記３） 前記手段は、各制御モードに係る動作パラメータと、切り換え前の制御モードに関する動作パラメータ値を、切り換え後の制御モードに反映させる割合を所定の演算式で算出して、対応するフィードバックループを制御する動作パラメータ設定／反映処理器を有することを特徴とする付記１記載の位置決め制御装置。
【０１３７】
（付記４） 前記手段は、被制御対象物の位置決めの物理的な限界付近においては、所定の複数のモードを同時に動作させることを特徴とする付記１記載の位置決め制御装置（図２６）。
【０１３８】
（付記５） 前記複数の制御モードは、被対象物の角度を制御する角度ループ、被対象物の角速度を制御する各速度ループ及び被対象物の角加速度を制御する角加速度ループを含むことを特徴とする付記１ないし４のいずれか一項記載の位置決め制御装置。
【０１３９】
（付記６） 所定基準に対する被制御対象物の角度を検知する角度センサを含む角度ループ（１１２，１１２Ａ）と、前記所定基準に対する被制御対象物の角速度を検知する第１の角速度センサを含む角速度ループ（１１１）と、空間に対する被制御対象物の角速度を検知する第２の角速度センサを含む角加速度ループ（１１０）を有する位置決め制御装置において、
角度センサで検知した角度の反映率を変化させて角度ループを制御する第１の処理器（１２３）と、
第１及び第２の角速度センサで検知した角速度の反映率を変化させて角速度ループを制御する第２の処理器（１２２）と、
角加速度ループのゲインを変化させて角加速度ループを制御する第３の処理器（１２１）と
を有することを特徴とする位置決め制御装置。
【０１４０】
（付記７） 前記位置決め制御装置は更に、前記第１、第２及び第３の処理器の動作パラメータの設定及び第１及び第２の処理器の反映率並びに第３の処理器のゲインを算出する演算式を記憶する動作パラメータ設定／反映処理器を有することを特徴とする付記６記載の位置決め制御装置。
【０１４１】
（付記８） 前記動作パラメータ設定／反映処理器は、被制御対象物を位置決めする駆動装置が許容動作範囲内で動作できる演算式を記憶することを特徴とする付記７記載の位置決め制御装置。
【０１４２】
（付記９） 前記位置決め制御装置は更に、被制御対象物の位置決めの物理的な限界付近において、前記角度ループと角速度ループの両方を動作させる第４の処理器を有することを特徴とする付記６記載の位置決め制御装置。
【０１４３】
（付記１０） 前記位置決め制御装置は更に、前記第４の処理器の動作パラメータの設定及び前記物理的な限界付近の定義を記憶する動作パラメータ設定／反映処理器を有することを特徴とする付記９記載の位置決め制御装置。
【０１４４】
（付記１１） 前記第４の処理器は、前記角度ループと角速度ループの両方を動作させ、所定基準に対する被制御対象物の角度の変化に対し、被制御対象物の移動が非線形に変化するように制御することを特徴とする付記６記載の位置決め制御装置。
【０１４５】
（付記１２） 前記第４の処理器は、所定基準に対する被制御対象物の角度の変化が所定範囲を越えないように制御するリミッタを含むことを特徴とする付記６記載の位置決め制御装置。
【０１４６】
（付記１３） 前記位置決め制御装置は更に、角度ループと角速度ループを選択的にオンするスイッチ手段を有することを特徴とする付記６ないし１１のいずれか一項記載の位置決め制御装置。
【０１４７】
（付記１４） 前記被対象物は、ジンバルを含むことを特徴とする付記１ないし１３のいずれか一項記載の位置決め制御装置。
【０１４８】
（付記１５） 被制御対象物の位置決めを制御する複数の制御モードに応じたフィードバックループを用いた位置決め制御方法において、
制御モードの切り換え時に、切り換え前の制御モードによる制御を、切り換え後の制御モードに反映させることを特徴とする位置決め制御方法。
【０１４９】
（付記１６） 所定基準に対する被制御対象物の角度を検知する角度センサを含む角度ループと、前記所定基準に対する被制御対象物の角速度を検知する第１の角速度センサを含む角速度ループと、空間に対する被制御対象物の角速度を検知する第２の角速度センサを含む角加速度ループを用いた位置決め制御方法において、
角度センサで検知した角度の反映率を変化させて角度ループを制御する第１のステップと、
第１及び第２の角速度センサで検知した角速度の反映率を変化させて角速度ループを制御する第２のステップと、
角加速度ループのゲインを変化させて角加速度ループを制御する第３のステップと
を有することを特徴とする位置決め制御方法。
【０１５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御モード間の切り換えを円滑に行なえる高精度な位置決め制御装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジンバル制御モードの説明図である。
【図２】ジンバル制御フローチャート説明図である。
【図３】対艦角度制御ブロック図である。
【図４】対空間角度制御ブロック図である。
【図５】対空間角速度制御ブロック図である。
【図６】メカリミット角での空間安定化機能制限説明図である。
【図７】第１の従来例を示す制御ブロック図である。
【図８】第２の従来例を示す制御ブロック図である。
【図９】第３の従来例を示すリミット制御説明図である。
【図１０】艦船動揺角度と角速度との関係説明図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態の構成図である。
【図１２】図１１に示す動作パラメータ設定／反映処理器の一構成例のブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の構成図である。
【図１４】図１３に示す角度／角速度リミット処理器の一構成例のブロック図である。
【図１５】図１３に示す対艦指令角切り換え処理器の位置構成例を示すブロック図である。
【図１６】本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６に示す実施例の動作パラメータ設定／反映内容の例を示す図である。
【図１８】図１２に示す対艦指令角反映割合演算部の一構成例を示すブロック図である。
【図１９】図１８に示す対艦指令角反映割合演算部の演算式と反映条件を示す図である。
【図２０】図１２に示す角加速度ゲイン反映割合演算部の一構成例を示すブロック図である。
【図２１】図２０に示す角加速度ゲイン反映割合演算部の演算式と反映条件を示す図である。
【図２２】図１２に示す角速度反映割合演算部の一構成例を示すブロック図である。
【図２３】図２２に示す角速度反映割合演算部の演算式と反映条件を示す図である。
【図２４】図１２に示す角加速度ゲイン切り換え処理器の位置構成例を示すブロック図である。
【図２５】図１３に示す角速度切り換え処理器１２２の一構成例を示すブロック図である。
【図２６】角速度反映処理の一例を示す図である。
【図２７】図１３に示す角度／角速度リミット演算部の一構成例を示す図である。
【図２８】図１３に示す角度／角速度リミット演算部の別の構成例を示す図である。
【図２９】図１３に示す角度／角速度リミット演算部の更に別の構成例を示す図である。
【図３０】図１３に示す対艦角度記憶処理器の一構成例を示すブロック図である。
【図３１】発明の効果の一例を示すシミュレーション結果（その１）である。
【図３２】発明の効果の一例を示すシミュレーション結果（その２）である。
【図３３】発明の効果の一例を示すシミュレーション結果（その３）である。
【符号の説明】
１１０ 角加速度ループ
１１１ 角速度ループ
１１２、１１２Ａ 角度ループ
１２２ 角速度切り換え処理器
１２１ 角加速度ゲイン切り換え処理器
１２３ 対艦指令角度切り換え処理器
１２４、１２４Ａ 動作パラメータ設定／反映処理器
１４０ 角度／角速度リミット処理器
１４７ 対艦角度記憶処理器

Claims (3)

1. 被制御対象物がジンバルを介して物体に搭載され、ジンバルを制御することにより被制御対象物の位置を制御する位置決め制御装置であって、
   前記位置決め制御装置は、
   前記物体に対する被制御対象物の角度を検知する角度センサを含む角度ループと、前記物体に対する被制御対象物の角速度を検知する第１の角速度センサを含む角速度ループと、空間に対する被制御対象物の角速度を検知する第２の角速度センサを含む角加速度ループを備えることによって、
   前記第１の角速度センサからの角速度信号を使用することで被制御対象物を物体に位置決めするための対物体角度制御モードと、前記第２の角速度センサからの角速度信号を使用することで被対象物を空間に対し一定の方向に指向制御する空間角度制御モードとを有し、
   前記対物体角度制御モードと前記空間角度制御モードとの間での切り換え初期時に、第１及び第２の角度センサからの角速度信号の両方の信号を所定の比率で反映させる角速度切り換え処理器を設けたことを特徴とする位置決め制御装置。
2. 前記角速度切り換え処理器は、前記第１及び第２の角度センサの両方のセンサからの角速度信号のそれぞれの反映割合を乗算し、加算することで、反映させることを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
3. 被制御対象物がジンバルを介して物体に搭載され、ジンバルを制御することにより被制御対象物の位置を制御する位置決め制御装置であって、
   前記位置決め制御装置は、
   前記物体に対する被制御対象物の角度を検知する角度センサを含む角度ループと、前記物体に対する被制御対象物の角速度を検知する第１の角速度センサを含む角速度ループと、空間に対する被制御対象物の角速度を検知する第２の角速度センサを含む角加速度ループを備えることによって、
   前記第１の角速度センサからの角速度信号を使用することで被制御対象物を物体に位置決めするための対物体角度制御モードと、前記第２の角速度センサからの角速度信号を使用することで被対象物を空間に対し一定の方向に指向制御する空間角度制御モードとを有し、
   前記対物体角度制御モードと前記空間角度制御モードとの切り換え初期時に、第１及び第２の角度センサからの角速度信号の両方を所定の比率で反映させると共に、その反映比率を変化させるようにした角速度切り換え処理器を設けたことを特徴とする位置決め制御装置。

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